Bê tông khối lớn dùng cho đập trọng lực

Sưu tầm các tài liệu, các giáo trình, bài giảng về ngành công trỉnh thủy lợi, thủy điện, xây dựng, giao thông. Các bài giảng này theo tiêu chuẩn hiện hành mới nhất. Các công nghệ về xây dựng giao thông, thủy lợi, thủy điện, xây dựng dân dụng, công nghiệp

BÊ TÔNG KHỐI LỚN DÙNG CHO ĐẬP TRỌNG LỰC (BÀI GIẢNG CAO HỌC) Mục lục Mục lục II BÊ TÔNG KHỐI LỚN DÙNG CHO ĐẬP TRỌNG LỰC 1 1. Định nghĩa 1 2. Đặc tính của bê tông khối lớn 1 3. Vật liệu dùng để chế tạo bê tông khối lớn 1 3.1. Xi măng 1 3.2. Cốt liệu 2 3.3. Nước trộn bê tông 2 3.4. Phụ gia (được trình bầy trong mục sau) 2 4. Những tính chất của bê tông khối lớn 2 4.1. Cường độ 3 4.2. Độ thấm nước 3 4.3. Độ bền 3 4.4. Tính biến dạng 3 4.5. Các tính chất nhiệt và ứng suất nhiệt trong bê tông khối lớn 4 II BÊ TÔNG KHỐI LỚN DÙNG CHO ĐẬP TRỌNG LỰC 1. Định nghĩa Theo tiêu chuẩn Mỹ (ACI 116R - 90), bê tông khối lớn được định nghĩa là một thể tích bê tông có kích thước đủ lớn, yêu cầu phải có biện pháp để đối phó với sự phát nhiệt do xi măng thuỷ hoá và theo đó là sự biến đổi thể tích gây ra nứt nẻ. Khi xây dựng đập thường sử dụng 2 loại bê tông: - Bê tông thông thường (Conventional Vibrated Concrete - CVC); - Bê tông đầm lăn (Roller Compacted Concrete - RCC). CVC đã được ứng dụng nhiều ở Việt Nam từ trước đến nay để xây dựng các đập bê tông như đập Thác Bà, Hòa Bình, Trị An, Thạch Nham, Hàm Thuận, Đa Mi, và mới đây là đập Tân Giang, Lòng Sông . Gần đây RCC được sử dụng xây dựng hàng loạt đập bê tông trọng lực. 2. Đặc tính của bê tông khối lớn Đặc tính của bê tông khối lớn là tính chất nhiệt. Phản ứng của xi măng với nước là phản ứng phát nhiệt. Trong bê tông khối lớn nhiệt không phân tán được nhanh, nên nhiệt độ trong bê tông có thể tăng lên rất nhiều, từ đó có thể phát sinh ứng suất kéo lớn do sự biến đổi thể tích kết hợp với sự tăng và giảm nhiệt độ trong khối bê tông. Cần phải có các biện pháp giải quyết thích hợp để hạ thấp nhiệt độ trong bê tông khối lớn, giảm ứng suất nhiệt và tránh nguy cơ nứt nẻ công trình. Đối với công trình đập bê tông, để đồng thời đạt được chất lượng và giá thành thấp, thường phân ra 2 phần: Phần bên ngoài của đập chịu tác dụng trực tiếp của môi trường nước và phần bên trong của đập không tiếp xúc với môi trường. Đối với phần bên ngoài của đập, yêu cầu chọn cốt liệu bê tông tốt, bê tông đặc chắc cường độ cao, chống thấm tốt để đảm bảo độ bền. Còn bê tông bên trong không chịu tác động của môi trường, nên yêu cầu chính đối với bê tông là phát nhiệt tối thiểu khi bê tông đông cứng, vì sự phân bố nhiệt không đều trong khối bê tông gây ra nứt do nhiệt. Mác bê tông ở phần bên trong không yêu cầu cao, thường là 10 hoặc 15 MPa và độ chống thấm thấp B 2 hoặc B 4. 3. Vật liệu dùng để chế tạo bê tông khối lớn 3.1. Xi măng Trong bê tông đập trọng lực nên dùng xi măng ít toả nhiệt. Để đảm bảo tính ổn định của bê tông khối lớn cần chú ý chọn dùng các vật liệu thích hợp. 1 Xi măng ít toả nhiệt phải có lượng nhiệt phát ra khi xi măng thuỷ hoá (xác định theo phương pháp termot) sau 3 ngày không lớn hơn 45-50cal/g, sau 7 ngày không lớn hơn 50- 60cal/g. Ở nước ta đã ban hành tiêu chuẩn xi măng ít toả nhiệt qui định nhiệt thủy hoá sau 7 ngày không lớn hơn 60 cal/g, nhưng thực tế hầu như chưa sản xuất, nên trên thị trường xi măng ở nước ta không có mặt xi măng ít tỏa nhiệt, mà chỉ có loại xi măng poóclăng hỗn hợp (PCB) pha khoảng 15 – 20% phụ gia khoáng hoạt tính và phụ gia trơ. Xi măng PCB tuy có nhiệt thủy hoá thấp hơn xi măng poóclăng, nhưng chưa đạt được yêu cầu của xi măng ít tỏa nhiệt. Tuy nhiên nếu tăng hàm lượng phụ gia khoáng đến mức độ yêu cầu, thì có thể đạt được mục đích đó. Trong bê tông khối lớn nói chung và bê tông đập nói riêng có thể pha puzơlan, xỉ hạt lò cao, tro bay , nhằm mục đích giảm thiểu lượng dùng xi măng, do đó giảm nhiệt thuỷ hoá trong bê tông. Các phụ gia đó được đưa trước vào xi măng hoặc đưa vào bê tông khi trộn. Trong bê tông khối lớn thường dùng phụ gia khoáng kèm thêm phụ gia hoá học như phụ gia hoá dẻo kéo dài thời gian đông kết, nhằm tăng độ lưu động, giảm co và kéo dài thời gian ninh kết khi vận chuyển bê tông đường dài hoặc khi trời nắng nóng về mùa hè và tăng độ bền mong muốn của bê tông. Việc kéo dài thời gian ninh kết cũng làm chậm sự phát nhiệt thủy hóa của xi măng. 3.2. Cốt liệu Cốt liệu nhỏ và cốt liệu lớn dùng cho bê tông khối lớn cũng giống như cốt liệu dùng cho bê tông nặng thông thường và được qui định trong các tiêu chuẩn nhà nước. Yêu cầu đối với cốt liệu dùng cho bê tông khối lớn của Mỹ được qui định trong ACI 207.1R-87. Do kích thước kết cấu lớn, nên có thể dùng kích thước danh nghĩa lớn nhất của cốt liệu (D max ) tới 150 mm để giảm hàm lượng chất kết dính trong bê tông, từ đó giảm phát nhiệt. 3.3. Nước trộn bê tông Nước trộn bê tông được qui định theo TCXDVN 302 : 2004. 3.4. Phụ gia (được trình bầy trong mục sau) 4. Những tính chất của bê tông khối lớn Các tính chất cần được xem xét là: Cường độ nén, cường độ kéo, môđun đàn hồi, hệ số Poisson, khả năng biến dạng kéo, từ biến, biến dạng khi khô, tăng nhiệt độ đoạn nhiệt, hệ số nở nhiệt, sự dẫn nhiệt tản nhiệt, độ thấm nước, độ bền. Các tính chất này của bê tông khối lớn cũng giống như bê tông thông thường. 2 4.1. Cường độ Cường độ bê tông khối lớn chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố chủ yếu, trong đó có lượng và loại phụ gia khoáng hoạt tính (puzơlan). Cường độ bê tông pha puzơlan nói chung phát triển chậm trong thời kỳ đầu, nhưng sau 28 ngày phát triển tốt hơn. Bê tông khối lớn thường không yêu cầu cường độ cao và không yêu cầu chịu ứng suất lớn ban đầu. Mác bê tông khối lớn thường được xác định ở tuổi dài ngày (90 ngày, 1 năm, 2 năm), tuỳ theo kết cấu và thời gian công trình được xây dựng. 4.2. Độ thấm nước Độ thấm nước của bê tông phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó có thành phần puzơlan trong bê tông. Puzơlan cũng có tác dụng giảm độ thấm nước. Hệ số thấm của bê tông khối lớn K = (0,62 ÷ 11,9).10 -4 ft/s. (1 ft = 30,48cm) 4.3. Độ bền Trong bê tông khối lớn phản ứng giữa các thành phần trong bê tông được xem là nhân tố quan trọng đối với độ bền bê tông. Phản ứng hoá học giữa kiềm (Na 2 O và K 2 O) trong xi măng và SiO 2 có tính phản ứng có trong cốt liệu tạo ra hợp chất mới, nở thể tích gây phản ứng kiềm - silíc; do đó không nên dùng cốt liệu chứa SiO 2 có tính phản ứng. Khi phải dùng một loại cốt liệu chứa các thành phần có tính phản ứng, thì phải dùng xi măng có hàm lượng kiềm (Na 2 O và K 2 O) thấp. Puzơlan có thể có tác dụng hạn chế phản ứng kiềm silic, nhưng tro bay được coi là kém hiệu quả hơn trong việc khống chế phản ứng này so với puzơlan thiên nhiên. Vôi sinh ra khi xi măng tác dụng với nước. Vôi sẽ hoà tan trong nước, nước mềm hay nước axít nhẹ. Khi dùng puzơlan, thì puzơlan tác dụng với vôi, tạo ra hợp chất mới không tan trong nước, tạo ra phản ứng puzơlan, do đó ngăn cản sự tiết vôi ra khỏi bê tông. Khi bê tông đặc chắc chống thấm tốt, thì việc tiết vôi ra sẽ ít. Nếu tiết vôi nghiêm trọng, có thể ảnh hưởng đến khả năng sử dụng và độ bền của kết cấu công trình. 4.4. Tính biến dạng a) Độ co khô Độ co khô nằm trong khoảng từ 0,02% của độ dài bê tông nghèo độ sụt thấp dùng cốt liệu tốt, đến lớn hơn 0,10% đối với bê tông giàu xi măng hoặc bê tông dùng cốt liệu xấu và N/X lớn. Các nhân tố ảnh hưởng đến độ co khô là: hàm lượng xi măng, thành phần khoáng của nó và hàm lượng cốt liệu. Việc pha phụ gia khoáng thường làm tăng độ co khô, ngoại trừ trường hợp giảm yêu cầu nước. b) Sự biến đổi thể tích tự thân là độ co do các phản ứng hoá học xảy ra trong hồ xi măng trong bê tông không liên quan với lượng nước trong bê tông. Bê tông dùng puzơlan 3 đôi khi có độ co tự thân lớn hơn bê tông dùng xi măng pooclăng. Sự biến đổi thể tích tự thân thuần tuý có thể nằm trong khoảng 0 - 150.10 -6 mm 3 /mm 3 . c) Sự biến đổi thể tích do nhiệt thuỷ hoá: Nhiệt độ bê tông tăng lên do nhiệt thuỷ hoá làm cho bê tông nở thể tích. Ngoài các biến dạng nêu trên, còn có từ biến và biến đổi thể tích khi độ ẩm của bê tông thay đổi. 4.5. Các tính chất nhiệt và ứng suất nhiệt trong bê tông khối lớn a) Nhiệt thuỷ hoá của xi măng Các thành phần khoáng trong xi măng khi thuỷ hoá sẽ phát nhiệt. Theo Solacolu và Taylor, nhiệt thủy hóa của các đơn khoáng trong xi măng như trong bảng 1.1. Bảng 1.1 : Nhiệt thủy hóa của các đơn khoáng trong xi măng. Tên đơn khoáng Nhiệt thủy hóa trong thời gian, cal/g 3 ngày 7 ngày 28 ngày 3 tháng 6 tháng 3 CaO SiO 2 98 110 114 122 121 2 CaO SiO 2 19 18 44 55 53 3 CaO Al 2 O 3 1700 188 202 188 218 4 CaO Al 2 O 3 . Fe 2 O 3 29 43 48 57 73 Ghi chú : 1 cal = 4,1868 J Ximăng mác càng cao, toả nhiệt càng nhiều như trong hình 1.1. Hình 1. Toả nhiệt của ximăng theo thời gian 1 2 3 4 5 6 250 10 0 20 0 30 0 80 60 40 300 400 500 (KCal/kg ) KJ/kg Ngày Nhiệt lượng 7 4 Các loại xi măng khác nhau cho nhiệt thuỷ hoá khác nhau như trong bảng 1.2. Bảng 1.2 : Nhiệt thuỷ hoá của các loại xi măng theo thời gian. Lượng phát nhiệt (cal/g) 3 ngày 7 ngày 28 ngày Xi măng có cường độ sớm 102 108 114 Xi măng thường 79 86 91 Xi măng tỏa nhiệt trung bình 63 74 82 Xi măng toả nhiệt thấp 44 52 65 Nhiệt thuỷ hoá được xác định bằng phương pháp termot hoặc đối với xi măng poóclăng thì có thể được tính theo công thức: Q t = a t . C 3 S + b t . C 2 S + c t C 3 A + d t . C 4 AF ; trong đó: a t , b t , c t , d t lần lượt là hệ số kinh nghiệm đặc trưng cho sự toả nhiệt của 1% các khoáng C 3 S, C 2 S, C 3 A và C 4 AF và được cho trong bảng 1.3; C 3 S, C 2 S, C 3 A, C 4 AF là hàm lượng các khoáng chính trong ximăng được tính bằng % khối lượng xi măng. Bảng 1.3 : Hệ số của công thức tính nhiệt thuỷ hoá của ximăng pooclăng Thời gian thuỷ hoá, ngày a t b t c t d t 3 0,929 0,159 1,517 -0,119 7 1,093 0,231 2,069 -0,414 28 1,142 0,153 2,299 0,140 90 1,183 0,231 2,458 0,332 180 1,220 0,445 2,457 0,392 360 1,269 0,532 2,525 0,400 Có thể giảm tốc độ phát nhiệt bằng cách giảm thành phần C 3 S và C 3 A là các thành phần phát nhiệt nhanh nhất và nhiều nhất. Tuy nhiên việc này có ảnh hưởng đến cường độ và tốc độ cứng hoá ban đầu của xi măng, vì thành phần C 3 S có tác dụng chủ yếu đối với cường độ 28 ngày của xi măng và C 3 A có ảnh hưởng nhiều đến ninh kết và cường độ ban đầu (từ 1 đến 3 ngày) của xi măng. Nhiệt lượng toả ra khi xi măng thuỷ hoá là kết quả tổng hợp của các quá trình tương tác của xi măng với nước. Trong trường hợp chung, tổng hiệu ứng nhiệt bao gồm các thành phần như sau: Q = Q hpx + Q fư + Q kt + Q hps + Q sol + Q ht ; trong đó : Q hpx - Nhiệt hấp phụ của nước lên các hạt xi măng lúc đầu; Q fư - Nhiệt phản ứng hoá học; 5 Q kt - Nhit kt tinh ca sn phm mi; Q hps - Nhit hp ph nc bi cỏc sn phm mi; Q sol - Nhit solvat hoỏ; Q ht - Nhit ho tan. b) Nhit ca bờ tụng Nhit ca bờ tụng c quyt nh bi nhit thy hoỏ ca xi mng, nờn cng phỏt trin theo thi gian v ph thuc vo loi xi mng. Hu ht nhit to ra t 6 - 7 ngy u sau khi bờtụng. S tng nhit hu nh xy ra 2 ngy u, tớnh t khi cho nc vo xi mng. Nu nhit cao thỡ tc tng nhit nhanh v nu nhit thp thỡ tc tng nhit chm. Din bin nhit chia lm 3 thi k: Tng nhit, gim nhit, n nh nhit (hỡnh 2). Nhit cao nht T max ca bờ tụng bng nhit trong bờ tụng khi T p cng vi nhit phỏt nhit ln nht ca xi mng T r . T nhit T p n T max l thi k tng nhit. Sau khi t n T max , thỡ nhit trong bờ tụng s gim dn ti (T f ) ; giai on ny l thi k gim nhit. Cui cựng nhit bờ tụng n nh. ổ n định nhiệt Tăng nhiệt T Giảm nhiệt t ( ngày ) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 100 20 40 60 20 ( C ) Tmax T p T r Hỡnh 2. Quỏ trỡnh thay i nhit trong bờ tụng khi ln. Nhit chờnh lờnh ln nht T l hiu s ca nhit cao nht T max v nhit n nh T f : T = T max - T f T = T p + T r - T f Nhit bờ tụng khi T p v nhit ca bờ tụng sau khi trn T b cú quan h nh sau : T p = T b + t ; 6 trong đó : ∆t nhiệt độ thay đổi của bê tông từ lúc ra khỏi máy trộn đến lúc đổ ( 0 C). Nếu nhiệt độ bê tông lúc trộn gần như nhiệt độ không khí, thì lấy ∆t = 0. Khi nhiệt độ không khí cao hơn nhiệt độ trộn, ∆t là dương và ngược lại ∆t là âm. T b : Nhiệt độ hỗn hợp bê tông khi trộn ( 0 C). Nhiệt độ này là tổng hợp nhiệt độ của các vật liệu thành phần của bê tông và được tính theo công thức sau : T b = ; ∑ ∑ i G i C i T i G i C trong đó i biểu thị tên các loại vật liệu như nước, ximăng, cát, sỏi hoặc đá dăm; C i : Tỉ nhiệt của loại vật liệu i khi trộn bê tông {KJ/(kg. 0 C)}. Tỉ nhiệt của nước và xi măng có thể lấy bằng 4,2 và 0,8; của cốt liệu là 0,8 - 0,96 kJ/kg. 0 C hoặc qua thực nghiệm để xác định; G i : Khối lượng vật liệu i trong 1m 3 bê tông (kg/m 3 ); T i : Nhiệt độ của vật liệu i trước lúc trộn ( 0 C). Nhiệt độ của nước được lấy bằng nhiệt độ nước bình quân trong tháng ở vùng đó, nhiệt độ xi măng thì tuỳ thuộc vào kho bảo quản và công cụ vận chuyển vào trạm trộn, nhiệt độ cốt liệu thường gần với nhiệt độ không khí. Khi dùng cốt liệu bị phơi nắng một số tuần trước đó, thì nhiệt độ cốt liệu cao hơn nhiệt độ bình quân trong tháng từ 3 - 5 0 C. Theo một số tài liệu khác, nhiệt độ của bê tông (T b ) có thể được tính toán theo công thức sau đây: T b 0 C = w W) c W a (W0,22 w W. w T) c W. c T a W. a 0,22(T ++ ++ ; trong đó: T a , T c , T w là nhiệt độ của cốt liệu, ximăng và nước; W a , W c , W w là khối lượng của cốt liệu, ximăng và nước trong một đơn vị thể tích bê tông. Trị số 0,22 là tỉ số gần đúng giữa tỉ nhiệt của phần vật liệu khô và tỉ nhiệt của nước trong bê tông. Chú ý là vào ban đêm, về mùa hè nhiệt độ của cốt liệu và nước không nguội nhanh bằng không khí, nên không thể coi nhiệt độ của chúng bằng nhiệt độ không khí. Nhiệt độ thực tế của bê tông sẽ cao hơn trị số tính toán một chút do công cơ học sinh ra trong khi trộn và sau đó tăng cũng do nhiệt sinh ra do xi măng thuỷ hoá. Theo công thức trên, để nhiệt độ hỗn hợp bê tông (có tỉ lệ N/X = 0,5, tỉ lệ CL/X = 5,6) giảm 1 0 C, thì phải giảm nhiệt độ của xi măng 9 0 C, hoặc giảm nhiệt độ của nước 3,6 0 C, hoặc giảm nhiệt độ của cốt liệu 1,6 0 C. 7 Một số tài liệu khác nữa lại đưa ra công thức chi tiết hơn như sau: wawca waawwccaa WWWW WTWTWTWT T +++ +++ = )(22.0 )(22,0 Các ký hiệu trong công thức giống như trong công thức ở trên, còn W wa là khối lượng nước hấp phụ bởi cốt liệu. Độ tăng nhiệt độ đoạn nhiệt của bê tông có thể tính bằng công thức sau đây: T = S HC. ; trong đó : T - Độ tăng nhiệt độ của bê tông, 0 F, C - Hàm lượng ximăng, Lb; H - Nhiệt thuỷ hoá của ximăng, Btu/Lb; S - Tỉ nhiệt của bêtông; Btu/ Lb. 0 F. Ghi chú: 1Btu = 1,055056 . 10 3 J; 1Lb = 0,4535924 kg; 0 F = 1,8.t 0 C + 32 Để xác định chính xác nhiệt độ của bê tông trong từng trường hợp cụ thể, có thể đo trực tiếp nhiệt độ của hỗn hợp bê tông mới trộn bằng nhiệt kế theo tiêu chuẩn Mỹ ASTM C 1064 - 86 Standard test method for temperature of freshly mixed portland cement concrete. c) Ứng suất nhiệt và nứt do nhiệt Quá trình thuỷ hoá của xi măng sinh ra lượng nhiệt lớn, bê tông dẫn nhiệt kém gây nên chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt với bên trong khối bê tông, giữa khối bê tông với nền hoặc khối bê tông cũ. Nhiệt độ của bê tông hạ xuống bằng với môi trường xung quanh khi bê tông đã cố kết gây nên ứng suất do hiện tượng co thể tích. Bê tông chịu hai loại kiềm chế có thể sinh nứt nẻ sau: 1) Nứt nẻ bề mặt Do chênh lệch nhiệt độ giữa lớp bê tông bề mặt với bên trong khối bê tông gây nên ứng suất kéo ở ngoài và nén ở trong. Nếu ứng suất kéo vượt khả năng cho phép của bê tông sẽ gây nứt bề mặt. 8 [...]... Nt xuyờn H L L L (H/L) . cốt liệu lớn dùng cho bê tông khối lớn cũng giống như cốt liệu dùng cho bê tông nặng thông thường và được qui định trong các tiêu chuẩn nhà nước. Yêu cầu đối với cốt liệu dùng cho bê tông khối. c t C 3 A + d t . C 4 AF ; trong đó: a t , b t , c t , d t lần lượt là hệ số kinh nghiệm đặc trưng cho sự toả nhiệt của 1% các khoáng C 3 S, C 2 S, C 3 A và C 4 AF và được cho trong bảng 1.3; C 3 S,. trong bê tông do thuỷ hoá của xm ( 0 C); T 3 - nhiệt độ ổn định của khối bê tông ( 0 C); Nhiệt độ trong lòng bê tông khối lớn có thể khá lớn như trong bảng 1.4. Bảng 1.4 : Gia tăng nhiệt độ trong